通信工程畢業設計-uwb超寬帶通信系統的設計與仿真(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 ，雙方仍然沒能使對方妥協 [3]。 本文所做的工作 本文設計了一個符合 超寬帶無線 5 通信系統模型，通過 simulink 平臺仿真驗證了其正確性。首先，本文根據 UWB 超寬帶通信系統的結構、協議、工作原理和 OFDM 技術在接收機和發射機系統的應用等原理對超寬帶通信系統的構建進行了分析，將超寬帶通信系統的模型分為接收機、無線信道、發射機 、譜分析和誤碼率分析五個模塊 ，然后利用 simulink 平臺實現了這些模塊。最后通過對系統的仿真運行，分析系統的頻譜和誤碼率，并根據仿真的結果來對設計做出了調整。 本文的結構 本文 第一章介紹了本次畢業設計的研究背景、意義及所作的工作等；第二章 對超寬帶無線通信系統發射機的結構，包括脈沖信號的產生和調制技術做了比較詳細的介紹；第三章對 CM1 信道和超寬帶無線 通信系統的 信道的基本概念進行了相關介紹；第四章 對超寬帶無線通信系統 的 相關接收機模塊分自相關和互相關 兩個 模塊做了相關介紹；第五章分模塊詳細 地 描述了 simulink 建模方案； 第六章對整個通信系統的仿真進行了詳細的分析。 6 2 超寬帶無線通信系統發射機設計 超寬帶無線通信系統的輻射的頻譜由兩方面決定 :其 一 是脈沖信號的波形，可根據需要的頻譜特性選擇發送的脈沖波形 。其二是其調制方式。本章重點介紹超寬帶無線通信系統 發射機，具體包括 波形設計 和 調制方式 等 。根據超寬帶基帶脈沖的頻譜特性，超寬帶脈沖可以分為兩大類 :第 一 類是基帶脈沖，該脈沖包含從低頻到高達幾個 GHz的頻率的連續帶寬 。第二類是特殊脈沖，即滿足特定頻譜要求的脈沖，通信系統的工作頻段、信號帶寬、輻射譜密度、帶外輻射、傳輸性 能、實現復雜度等諸多因素都取決于時域成形波形 P(t)的設計 。 在超寬帶脈沖無線系統中，信息是調制在脈沖上傳遞的，既可以用單個 脈沖傳遞不同的信息，也可以用多個脈沖傳遞相同的信息 [4]。 超寬帶脈沖的產生 超寬帶窄脈沖的產生，通常要滿足下列條件 :脈沖寬度要窄，實現超寬帶沖激無線通信的脈沖寬度通常在 1ns 以下 。根據實際應用中頻譜特性的需要，選擇不同的波形 。提高脈沖重復頻率，實現高速率的數據傳輸 。脈沖的位置或者幅度可控，以適應脈沖位置調制或者脈沖幅度調制的需要，特別是脈沖的起始位置，必須要精確控制，否則時間位置 的偏移會造成信號同步的解調的困難，在需要功率控制的情況下，脈沖的能量應該可控 。輻射功率嚴格限制，以免對其它系統造成干擾 。輸出要穩定，在發射脈沖寬度較窄、傳輸速率較高的情況下，要保證接收端正確地捕獲、同步和解調，必須要求脈沖產生器輸出的波形、相位保持較高的穩定性 。脈沖信號產生器還應該容易實現。超 7 寬帶脈沖的產生方式主要有兩類 :低功率系統的集成電路設計和半導體器件實現。對于半導體器件實現，器件的開關特性是實現窄脈沖產生器的關鍵。目前主要采用的有隧道二極管 (Tunnel Diode)，雪崩二極管 (Avalanche Diode)、雪崩三極管 (Avalanche Transistor)、階躍恢復二極管 (SRD， Step Recovery Diode)，飄移階躍恢復二極管 (DSRD， Drift Step Recovery Diode)和飄移階躍恢復三極管 (DSTR， Drift Step Recovery Transistor)[5]。 高斯脈沖信號 在超寬帶通信系統中，所采用的基帶脈沖波形很少是 一 個周期的正弦波。事實上，產生非正弦脈沖要比產生脈沖調制正弦波更容易、更經濟。超寬帶大電流輻射 (LCR， Large Current Radiator)天線的問世，使得利用 一 些經濟的技術和工藝 (如 CMOS 芯片 )來產生持續時間在ns 級的脈沖成為可能。這種 LCR 天線是通過電流來激勵的，它的輻射功率正比于電流導數的平方。試驗表明，當用 一 個滿足階躍函數的電流來激勵天線時，天線的輸出端就會產生 一 個脈沖，而且這個階躍電流跳變越陡峭，所產生的脈沖寬度就越窄 [6]。 脈沖產生器最易產生的脈沖波形其實是 一 個鐘形，類似于高斯函數波形。最常用的超寬帶信號是高斯單周期 (Monocycle)脈沖或者其各階微分波形。各階微分脈沖波形均可由高斯 一 階導數通過逐 次求導得到。隨著脈沖信號階數的增加，過零點數逐漸增加，信號中心頻率向高頻移動，但信號的帶寬無明顯變化，相對帶寬逐漸下降。高斯脈沖信號作為超寬帶技術發展之初所選用的信號主要有兩個原因 :一 是 8 容易利用超寬帶脈沖發生器產生 。二是收發天線對超寬帶信號的作用相當于微分運算，而高斯脈沖的各階微分具有比較簡單的形式，便于分析。 高斯脈沖的基本波形為， ? ? 222 tarp t A e ??? （ ）其中， 2pA a??時， p(t)為單位能量脈沖 。a 為脈沖波形的成形因子 增大，脈沖幅度減小，脈沖寬度變寬。 高斯脈沖的頻譜函數為 , ? ? 222 22 22 22 222 2() fat fa taf t f tappP t p t e d t A e e d t e A e d t??? ??? ??? ???? ? ???? ??? ? ?? ? ?? ? ? （ ） 由 2te dt ?? ?? ??， b 為常數時，得到 2the dt b???? ?? （ ）因此，有 ? ? 2222fap aP f A e??? （ ） 高斯脈沖的各階微分形式為 : ? ? ? ? ? ?? ?kk kd p tPt dt? （ ）其中， k 為微分的階次。 但是為了有效輻射，產生的脈沖應具備 一 個基本條件 :無直流分量。在滿足該條件的前提下，有多種脈沖波形可供考慮。高斯函數的各階導函數表示的波形都是滿足上述條件 的。 通過改變脈沖波形來獲得頻譜形成是 IR 的 一 個重要的特性。頻 9 譜形成主要可以采取三種不同的方法 :改變脈沖寬度、對脈沖進行微分和對基函數的組合?？紤]以高斯脈沖作為研究對象。高斯脈沖非常適合本文的分析，因為高斯脈沖可以直接通過調整形成因子 a 來改變波形，同時可以通過對原始脈沖微分來獲得很多的波形。 脈沖寬度取決于脈沖形成因子 a。減小 a 的值將會使脈沖寬度壓縮，從而擴展傳輸信號的帶寬。因此，同 一 波形可以通過改變脈沖形成因子的值來得到不同的帶寬。 注意到高斯脈沖有無限的持續時間，這將不可避免地導致脈沖混疊和符號間干擾 (ISI)。但是，設計在可以合理地為高斯脈沖考慮 一 個有效的持續時間，其截斷能量低于 一 個給定的門限值。在這樣的假設條件下，脈沖形成因子 a 的上限由不超過切普 (chip)持續時間 Tc 的Tm 給定，而下限則受到產生極窄脈沖的技術的限制。對高斯脈沖微分也會影響其能量譜密度。峰值頻率和脈沖帶寬都會隨微分階數的增加而改變。特別地，觀察 k 階導數的傅氏變換性質 [7]: ? ? 222fakkX f f e ??? （ ） 可以得到關于峰值頻率 peakF 、導函數的階 k 和脈沖形成因子。三者之間的 一 般關系式。 由上式進 一步可以得到 peakf 和 k 的關系式 : 1peakfka ?? （ ） 超寬帶無線通信的調制技術 在超寬帶脈沖無線系統中，信息是調制在脈沖上傳遞的，既可以用單脈沖傳遞不同的信息，也可以用多個脈沖傳遞相同的信息。 10 IUWB(ImpulseUltra Wide Band，無載波脈沖 UWB)系統在多址通信信道中可以以很高的 速率傳輸數據。由于 IUWB 系統的信號是無載波傳輸方式，因此發射機和接收機的結構十分的簡單。在 IUWB系統當中， 一 串極短 (ns 級 )的脈沖被發送，信息通過發射脈沖串的幅度或極性來傳輸 (PAM、 BPSK 調制 )，或是通過脈沖起始時間的移動來傳輸 (PPM 調制 )。此外為允許多個用戶共享同 一 傳輸信道，在每個用戶發射脈沖的起始時間都加入 一 個唯 一 的、并且被相應的接收機已知的偽隨機時移，以免多個用戶在同信道中因為同時發射信號而引起的信息沖突。 單脈沖調制 對于單個脈沖，脈沖的幅度、位置和極性變化都可以用于傳遞信息 。經典的單脈沖調制技術包括 :脈沖幅度調制 (PAM)、脈沖位置調制(PPM)、二相調制 (BPM)和開關鍵控 (OOK)等 。 PAM 調制是通過改變脈沖幅度的大小來傳遞信息的 一 種脈沖調制技術 ,PAM 調制既可以改變脈沖幅度的極性，也可以僅改變脈沖幅度的絕對值的大小。 BPM 調制和 OOK 調制方法是 PAM 調制的兩種簡化形式。 BPM 調制過改變脈沖的正負極性來調制二元信息，所有脈沖幅度的絕對值相同。 OOK 調制通過脈沖的有無來傳遞信息。在PPM、 BPM 和 OOK 調制中發射脈沖時間間隔是固定不變的。實際上，也可以通過改變發射脈沖的時 間間隔或發射脈沖相對于基準時間的位置來傳遞信息，這就是 PPM 調制的原理。在 PPM 調制中，脈沖的極性和幅度都不改變。 11 PAM、 OOK 和 PPM 調制的共同優點是可以通過非相干檢測恢復信息 PAM調制和 PPM調制還可以通過多個幅度調制或多個位置調制提高信息輸速率。 多脈沖調制 實際上，為了降低單個脈沖的幅度或提高抗干擾性能，在超寬帶脈沖無線系統中，往往采用多個脈沖傳遞相同的信息，這就是多脈沖調制的基本思想。當采用多脈沖調制時，把傳輸相同信息的多個脈沖稱為 一 組脈沖，那么，多脈沖調制過程可以分兩步 :第 一 步為每組 脈沖內部單個脈沖的調制 。第二步為每組脈沖作為整體被調制。在第 一步中，每組脈沖內部的單個脈沖通常采用 PPM 或 BPM 調制方法 。在第二步中，每組脈沖作為整體通?？梢圆捎?PAM、 PPM 或 BPM 調制方法。 一 般把第 一 步稱為擴譜 (Spread Spectrum)，而把第二步稱為信息調制。因而在第 一 步中，把 PPM 調制稱為跳時 (Timing Hopping)擴譜 (THSS)，即每組脈沖內部的每 一 個脈沖具有相同的幅度和極性，但具有不同的時間位置 。把 BPM 稱為直接序列 (Direct Sequence)擴譜(DSSS)，即每組 脈沖內部的每 一 個脈沖具有固定的時間間隔和相同的幅度，但具有不同的極性。在第二步中，根據需要傳輸的信息比特，PAM 調制同時改變每組脈沖的幅度， PPM 調制同時調節每組脈沖的時間位置， BPM 同時改變脈沖的極性。這樣，把第 一 步和第二步組合起來不難得到 一 下多脈沖調制技術 :PPMTHSS、 PPMDSSS、PAMTHSS、 PAMDSSS、 BPMTHSS、 BPMDSSS。 多脈沖調制不僅可以通過提供脈沖重復頻率來降低單個脈沖的 12 幅度或發射功率，更重要的是，多個脈沖調制可以利用不同用戶使用的 SS 序列之間 的正交性或準正交性實現多用戶干擾抑制，也可以利用 SS 序列的偽隨機性實現窄帶干擾抑制。在多脈沖調制中，利用不同 SS 序列之間的正交性，還可以通過同時傳輸多路多脈沖調制的信號來提高系統的通信效率 [9]。 13 3 超寬帶無線信道 建模 信號的傳播環境是影響無線通信系統性能的主要因素之 一 ，建立準確的信道模型對超寬帶無線通信理論研究和性能分析是非常重要的。超寬帶無線通信環境遠比基于連續波的傳統窄帶或寬帶無線信道環境復雜。因此，根據無線信道的基本特征，結合超寬帶脈沖信號 傳播的特殊性，通過分析超寬帶脈沖信號在不同環境下的傳播特性，建立相應的超寬帶無線信道電波傳播模型具有重要的意義。 超寬帶信道的基本概念 超寬帶無線信道的傳播模型可分為路徑損耗模型和多徑傳播模型。路徑損耗模型主要用于描述發射機和接收機之間距離大于 5 米以上的信號強度的變化，它表征了接收信號在 一 定時間內的均值隨傳播距離的變化呈現出緩慢變化。路徑損耗模型也稱為大尺度模型。路徑損耗模型包括穿透障礙損耗、視距和非視距損耗。多徑傳播模型用于描述短距離或短時間內接收信號強度的快速變化。主要描述無線信號經短距離或短時間 傳輸后經兩個或兩個以上路徑微小的時間間隔到達接收機的傳播特性。路徑損耗模型不僅對分析信道的可用性、傳輸頻帶的選擇等具有重要意義，而且對于無線網絡的規劃也非常重要。多徑傳播模型對傳輸技術的選擇和接收機的設計至關重要。這兩個模型在超寬帶室內信道中并不是相互獨立存在的，在同 一 個無線信道中，二者綜合作用于發射脈沖信號 [10]。 超寬帶信道模塊設計